Festkörperphysik - Kristallgitter und Defekte

[Erica Simmons]

Sprechen wir nun noch über Gitterdefekte, also über Unterbrechungen in der Periodizität Gitterstrukturen und was sie bewirken können. Am einfachsten gliedern wir die möglichen Defekte anhand ihrer Dimension.

Defekte 0. Ordnung sind Punktdefekte, diese können verschiedener Art sein. Fehlstellen sind zum Beispiel Gitterfehler bei denen dort wo eigentlich ein Atom sein sollte keines ist und die umgebenden Atome dadurch Raum haben um etwas dichter zusammenzurücken. Dem gegenüber wurde bei besetzten Zwischengitterplätzen ein Atom an einer Stelle platziert die eigentlich frei sein sollte wodurch das Gitter in der näheren Umgebung quasi auseinandergedrückt wird. Bei Substitutionen ist es schließlich so dass sich an einem regulären Gitterplatz ein Atom befindet das von anderer Art ist als die aus denen das restliche Gitter aufgebaut ist. Je nachdem ob dieses Fremdatom im Verhältnis zu den übrigen Gitteratomen mehr oder weniger Platz beansprucht, wird sich das Gitter an dieser Stelle dehnen oder zusammenziehen. So oder so ist allen Punktdefekten gemeinsam, dass sie die Bindungslängen in ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflussen.
Punktdefekte können ausserdem einen deutlichen Einfluss auf die Leitfähigkeit haben indem zum Beispiel durch Substitution Donatoren oder Akzeptoren für freie Elektronen ins Gitter eingebracht werden, was übrigens genau der entscheidende Punkt bei Halbleitern ist.

Defekte 1. Ordnung sind Lineardefekte. Hier handelt es sich um Versetzungen in der Gitterstruktur, die sich durch den Versetzungsvektor, also den Vektor der nötig ist um einen Weg entlang der Kanten von abgezahlten Einheitszellen über die Versetzung hinweg zu schließen, beschreiben lassen. Die beiden Grundarten die ich ihnen anhand von Skizzen verdeutlichen werde, sind Schraubenversetzungen bei denen der Versetzungsvektor parallel zur Versetzungsebene steht und Kantenversetzungen bei denen der Versetzungsvektor senkrecht zur Versetzungsebene steht.
Stellen sie sich diese Schraubenversetzungen so vor dass sie zwei Lagen ihres Gitters gegeneinander verdrehen und Kantenversetzungen so dass sie ab einer bestimmten Lage eine zusätzliche Reihe von Zellen unterbringen und sie haben hoffentlich eine brauchbare Anschauung.

Ganz allgemein können sie Lineardefekte als eine Überlagerung von Schrauben- und Kantenversetzungen betrachten. Solche Defekte beeinflussen das Verhalten eines Festkörpers unter mechanischer Spannung, werden also Einfluss auf Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Verformbarkeit oder Härte haben.

Defekte 2. Ordnung decken im wesentlichen alle Arten von Grenzflächen in einem Festkörper ab, die externen Oberflächen genauso wie Korngrenzen oder Stapelfehler. Defekte dieser Art haben in der Regel großen Einfluss auf das Leitungsverhalten da jede Grenzfläche ersteinmal ein Hindernis darstellt das zum Beispiel beim Transport freier Ladungsträger überwunden werden muss.

Bei Defekten 3. Ordnung handelt es sich, wie sie sicher schon ahnen, um Volumendefekte. Also Poren, Risse und Einschlüsse aller Art. Diese beeinflussen das Verhalten ihres Festkörpers auf der makroskopischen Ebene... nunja makroskopisch vom Standpunkt des molekularen Aufbaus aus betrachtet. Diese Einflüsse müssen übrigens durchaus nicht immer negativ sein, einige der allerersten Stoffe die als leitfähige Polymere bezeichnet wurden, waren im Grunde nichts anderes als Polymere mit Graphiteinschlüssen und auch bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen wird der Einsschluss von Fremdkörpern, in dem Fall Fasern, gezielt zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften genutzt doch das ist eher ein Thema für eine andere Vorlesung.

Für Heute soll das genug sein.